(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 廣元，628400)

亭子口水利樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)架構(gòu)，應(yīng)以工程安全監(jiān)測為目的，遵循“實用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”原則，并應(yīng)滿足公司現(xiàn)代化管理的需求，宜采用分布式系統(tǒng)。整個系統(tǒng)擬由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信裝置、監(jiān)測計算機(jī)及外部設(shè)備、數(shù)據(jù)采集軟件、信號及控制線路、通信及電源線路等組成。本文介紹如下：

1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)架構(gòu)前期準(zhǔn)備工作

1.1 安全監(jiān)測儀器數(shù)量、類型及分布位置統(tǒng)計

亭子口水利樞紐安全監(jiān)測儀器及設(shè)施主要分布在大壩、消力池、壩后廠房、灌溉渠首、船閘、大園包崩滑體和左右岸纜機(jī)平臺等部位，比較分散，距離遠(yuǎn)，共布設(shè)有2461支，涵蓋變形位移、滲流滲壓及繞滲、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、水力學(xué)4個監(jiān)測項目。儀器類型有差動電阻式、振弦式、智能式(RS485)及部分不宜、不能電測的人工測讀監(jiān)測儀器、設(shè)施。

1.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化

樞紐工程竣工移交后進(jìn)入運(yùn)行期，部分前期工程、左右岸纜機(jī)平臺及邊坡將停止運(yùn)用，且右岸邊坡較低和穩(wěn)定，無繼續(xù)監(jiān)測的必要，故左右岸纜機(jī)平臺及邊坡的監(jiān)測儀器和設(shè)施進(jìn)入運(yùn)行期后將全部停止觀測，不必考慮接入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

水力學(xué)觀測儀器在正常蓄水位驗收之后，底孔、表孔具備全水頭過流各種工況時，將會及時進(jìn)行泄洪消能建筑物泄流、溢流時的水位與波浪、流量、流速、流態(tài)、時均壓強(qiáng)與脈動壓強(qiáng)、通氣與水流摻氣、空化與氣蝕、過流面磨損、激流振動、閘墩錨索預(yù)應(yīng)力及弧門啟閉力、泄洪霧化、河床沖刷、水溫等原型觀測，整編分析出底、表孔在全水頭各種工況下的優(yōu)化運(yùn)用方式后，即可對水力學(xué)觀測儀器及觀測電纜進(jìn)行封存處理，不再作為日常觀測項目進(jìn)入運(yùn)行期永久觀測，即不必考慮接入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時未考慮環(huán)境量監(jiān)測，進(jìn)入運(yùn)行期，需要增加上游庫水位、下游尾水位、壩區(qū)氣溫、壩區(qū)降雨量等環(huán)境量監(jiān)測項目。這些項目可以在安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施時同時設(shè)計、建設(shè)。

1.3 安全監(jiān)測系統(tǒng)測站優(yōu)化及環(huán)境整治

亭子口樞紐工程各分部工程布置分散，物理距離遠(yuǎn)，功能獨(dú)立。安全監(jiān)測系統(tǒng)分布及測站布設(shè)均可根據(jù)樞紐的布置特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，盡量集中傳感器電纜，減少測站。同時對各測站內(nèi)的環(huán)境、衛(wèi)生進(jìn)行整治，達(dá)到安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)電子元器件長期穩(wěn)定運(yùn)行對溫度、濕度、防雷、防鼠、抗震、抗電磁干擾等要求。

在安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)之前，把純?nèi)斯y讀的監(jiān)測儀器、設(shè)施(如量水堰)，通過相應(yīng)電測儀器替代，從而再把電測儀器信號電纜敷設(shè)入臨近測站，為后一步接入采集單元做準(zhǔn)備。

監(jiān)測儀器比較少的分部工程，可以在該分部工程比較集中的位置建一個測站，把該分部工程的各類監(jiān)測儀器電纜敷設(shè)入該測站采集單元內(nèi)，該采集單元的RS485信號再通過兩芯屏蔽電纜敷設(shè)至臨近儀器比較多的分部工程就近測站去。消力池、左右岸渠首、大園包崩滑體監(jiān)測儀器均相對較少，可分別在消力池、左渠首、右渠首和大園包崩滑體(5個監(jiān)測斷面)處各建一個測站布置采集單元，再把采集單元的RS485信號通過兩芯屏蔽電纜分別敷設(shè)到大壩的就近測站內(nèi)，這樣就可以減少布線，同時也便于出現(xiàn)故障時維護(hù)消缺。

1.4 安全監(jiān)測系統(tǒng)專用電源布設(shè)

安全監(jiān)測系統(tǒng)專用電源由鎧裝電纜、備自投裝置、開關(guān)箱、分線箱、配電箱等組成。

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)供電電源，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功率需求和技術(shù)指標(biāo)規(guī)定配置，應(yīng)實施統(tǒng)一管理，宜采用專線供電，并設(shè)置供電線路安全防護(hù)及接地設(shè)施。而亭子口樞紐安全監(jiān)測系統(tǒng)含在土建標(biāo)內(nèi)一起設(shè)計、施工，未考慮專用電源，施工期觀測用電均利用附近照明系統(tǒng)，極不穩(wěn)定。故在安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)實施前，必須先從配電室取專用電源敷設(shè)至各個測站，配電室取電端安裝備自投裝置，同時接在兩段回路上，若某一段故障、檢修或倒電時，輸入電源會自動瞬時切換到另一段上(ms級)，從而保證不間斷運(yùn)行。

電源敷設(shè)到每個測站后，在每個測站內(nèi)合適部位安裝多接口的電源分配箱，以滿足測站內(nèi)監(jiān)測儀器、設(shè)施、自動化采集單元的用電需求，并需預(yù)留適當(dāng)數(shù)量備用接口，以備運(yùn)行期擴(kuò)展所需。

1.5 安全監(jiān)測系統(tǒng)接地網(wǎng)布設(shè)

亭子口水利樞紐位于夏季雷暴頻發(fā)地區(qū)，而安全監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器有部分安裝埋設(shè)在壩頂或壩體內(nèi)接近壩面位置，個別儀器極可能遭受雷擊破壞。同時，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)同一個采集單元內(nèi)，接入的傳感器之間存在物理連接，任一支傳感器受雷擊將可能引起整個采集單元受損，或影響整個采集單元工作不穩(wěn)定。故在安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施前，必須先將各測站接入工程接地網(wǎng)，由可靠接地網(wǎng)(測站接地電阻不應(yīng)大于10Ω，中心機(jī)房接地電阻不應(yīng)大于4Ω)把雷電及時、有效地引入地下。同時，個別儀器屏蔽線也可以接入接地網(wǎng)，減少儀器芯線之間的干擾。

2 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)通信系統(tǒng)由單模光纜、光端機(jī)、尾纖、線架、交流電源、直流備用電源、電源開關(guān)等組成，主要用于各測站采集單元跟樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)房之間進(jìn)行雙向通信。

根據(jù)亭子口樞紐各分部工程分布特點(diǎn)，從通信可靠、穩(wěn)定、日常維護(hù)方便及經(jīng)濟(jì)角度來考慮，其通信系統(tǒng)架構(gòu)可分為兩大部分：一部分短距離通信，可用于儀器較少的分部工程測站采集單元，通過兩芯屏蔽電纜把RS485信號傳輸(并接)至臨近儀器較多的分部工程測站采集單元(如左渠首至大壩)；另一部分遠(yuǎn)距離通信，可用于儀器較多且較獨(dú)立的分部工程，通過單模光纜把各測站并在一起，傳輸至樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)機(jī)房。

亭子口樞紐分部工程有大壩、消力池、壩后廠房、船閘、左灌渠、右灌渠、大園包崩滑體等部位。各分部工程與樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)機(jī)房的采集計算機(jī)通信，均采用單模光纜；根據(jù)樞紐各分部工程安全重要性和儀器數(shù)量，大壩和消力池安全最為重要，同時儀器數(shù)量也最多，為減少運(yùn)行故障率和保證出現(xiàn)故障時便于維護(hù)消缺，其通信可考慮布設(shè)雙環(huán)自愈光纜通信系統(tǒng)，具有通信節(jié)點(diǎn)相對較少和雙環(huán)路特點(diǎn)，任意一個環(huán)路某一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，另一個環(huán)路會自動投入通信。剩下的壩后廠房、船閘各分部工程自成體系，以獨(dú)立光纜環(huán)路與樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)機(jī)房的采集計算機(jī)通信。整個樞紐工程共需布設(shè)3套光纜通信環(huán)路，大壩、消力池及左右岸渠首使用雙環(huán)自愈光端機(jī)，其它分部工程使用普通光端機(jī)。

光纜敷設(shè)，室外可以穿鍍鋅鋼管或走電纜溝敷設(shè)，室內(nèi)、廊道內(nèi)可以走橋架或穿阻燃PVC管敷設(shè)。

2.2 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采集單元布設(shè)

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采集單元，由電源及信號電纜接線端子排、防雷模塊、加熱器、采集模塊(具有人工測量接口)、交流電源、直流備用電源、電源開關(guān)、供電電纜、通信電纜、監(jiān)測儀器電纜等組成，布設(shè)在每個測站內(nèi)，主要用于樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)機(jī)房采集計算機(jī)，通過對其所接入安全監(jiān)測儀器發(fā)布采集指令和激勵信號，并回傳物理量暫存在采集模塊內(nèi)，定時或?qū)崟r上傳至采集計算機(jī)。

整個樞紐工程內(nèi)埋及安裝的安全監(jiān)測儀器、設(shè)施(2461套/支)類型，主要有差動電阻式、振弦式、智能式(RS485信號)，國內(nèi)生產(chǎn)能接入這幾種類型儀器的采集模塊廠家較多。根據(jù)各個測站不同類型儀器數(shù)量及測點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果，確定出每個測站內(nèi)各種采集模塊數(shù)量和采集單元數(shù)量。

2.3 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心機(jī)房布設(shè)

樞紐安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中心計算機(jī)機(jī)房，由采集計算機(jī)、工作服務(wù)器、備份服務(wù)器、工作站計算機(jī)、光端機(jī)箱、信號轉(zhuǎn)換模塊(RS485/RS232)、路由器、防火墻、移動硬盤、投影儀、彩色打印機(jī)、刻錄機(jī)、UPS電源、溫濕度計、空調(diào)、電源分配箱等組成。中心機(jī)房內(nèi)各項硬件設(shè)施均需較高配置，機(jī)房地面要鋪防靜電地板，要求運(yùn)行時環(huán)境溫度、濕度恒定。中心機(jī)房可布置在壩后上副廠房或后方營地辦公樓內(nèi)。

各采集計算機(jī)、服務(wù)器計算機(jī)、工作站計算機(jī)和彩色打印機(jī)之間，通過路由器以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建內(nèi)部局域網(wǎng)，預(yù)留外網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)接口，對外通信可接入硬件防火墻。各計算機(jī)、路由器、打印機(jī)等電源取自UPS不間斷電源輸出端，UPS不間斷電源輸入端取自廠用電配電室，UPS不間斷電源輸出端電壓及頻率要求十分穩(wěn)定，其容量要求足夠大，在交流掉電時，至少能維持整個系統(tǒng)正常工作時間不小于30min的直流逆變供電需求。

采集單元內(nèi)各采集模塊測量各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，通過通信系統(tǒng)進(jìn)入采集計算機(jī)后，再通過局域網(wǎng)存至工作服務(wù)器數(shù)據(jù)庫內(nèi)。工作服務(wù)器主要承擔(dān)整個樞紐在線安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。各工作站計算機(jī)，主要用于多用戶日常對工作服務(wù)器數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、整理和分析。備份服務(wù)器主要用于自動定期對工作服務(wù)器內(nèi)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，移動硬盤和刻錄機(jī)主要用于長周期對工作服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫進(jìn)行其它介質(zhì)備份。彩色打印機(jī)主要用于數(shù)據(jù)整編分析后的過程線、分布圖、相關(guān)圖、綜合比較圖的打印輸出。

2.4 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件，主要由安全監(jiān)測自動化信息管理軟件和后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)庫兩大部分組成，采用C/S模式。其中，安全監(jiān)測自動化信息管理軟件主要由在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、離線分析三大部分組成。架構(gòu)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫類型選擇，可根據(jù)安全監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)量及考慮長期運(yùn)行將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量來確定，若數(shù)據(jù)量不大，可以采用SQL Server架構(gòu)數(shù)據(jù)庫，若數(shù)據(jù)量特別大，可以采用Oracle架構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

采用C/S模式，可以保證不同工作人員同時在各個工作站計算機(jī)上對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行并發(fā)操作，從技術(shù)和安全層面保證了多人可同時在安全監(jiān)測系統(tǒng)這樣一個數(shù)據(jù)量龐大的系統(tǒng)上協(xié)同開展工作。

在線監(jiān)測部分(采集模塊、采集單元和采集計算機(jī))主要對接入采集模塊的各支儀器進(jìn)行通道參數(shù)、儀器類型、激勵量值、監(jiān)測儀器及采集模塊地址、計算公式及計算參數(shù)、采集協(xié)議、時鐘校對等的配置寫入。

數(shù)據(jù)管理部分主要對數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對采集部分傳送過來的物理量通過計算公式進(jìn)行量值轉(zhuǎn)換，對入庫數(shù)據(jù)的缺失情況進(jìn)行檢查和粗差分析。另外，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理分析，按用戶定制要求能自動輸出一些統(tǒng)計圖表。

離線分析部分主要是對監(jiān)測服務(wù)器內(nèi)數(shù)據(jù)庫鏡像一個新的數(shù)據(jù)庫，以多元回歸分析、時間序列分析、灰色理論分析、頻譜分析、Kalman濾波法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波分析法、系統(tǒng)論法等分析方法，對鏡像數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編分析。

2.5 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)，其測點(diǎn)統(tǒng)計優(yōu)化、人工測讀項目電測改造、測站優(yōu)化建設(shè)及工作環(huán)境整治、專用電源敷設(shè)、接地網(wǎng)敷設(shè)、通信光纜敷設(shè)、中心計算機(jī)房建設(shè)、采集單元及機(jī)房設(shè)備安裝、軟件開發(fā)等可同時進(jìn)行。

2.6 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)調(diào)試

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)完成后，開始進(jìn)行中心計算機(jī)房內(nèi)軟件系統(tǒng)的安裝調(diào)試、各通信環(huán)路的調(diào)試、各采集單元的調(diào)試，最后再進(jìn)行整體調(diào)試。

具體調(diào)試方法有：對每個自動化監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行快速連續(xù)測試，以檢查測值的穩(wěn)定性；對有條件的監(jiān)測項目及監(jiān)測點(diǎn)，人工干預(yù)給予一定物理量變化，檢查自動化測值是否出現(xiàn)相應(yīng)變化；逐項檢查系統(tǒng)性能，以滿足設(shè)計要求；逐項檢查監(jiān)測儀器設(shè)備的安裝方向，確保與規(guī)范規(guī)定一致。

2.7 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)試運(yùn)行

試運(yùn)行主要對系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定性、通信環(huán)路的暢通性及傳輸速率、采集單元的響應(yīng)性進(jìn)行檢查。

2.8 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)比測

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)比測，主要是通過人工二次儀表測讀數(shù)據(jù)與自動化采集單元測量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性等評價，最終目的是對自動化采集系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性進(jìn)行評判。具體比測方法就是以系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)與同時同條件人工比測數(shù)據(jù)偏差δ保持基本穩(wěn)定，無趨勢性漂移，與人工比測數(shù)據(jù)對比結(jié)果：δ≤2σ。

3 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)驗收

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)完工驗收，主要以定性定量指標(biāo)來檢查系統(tǒng)的運(yùn)行是否達(dá)標(biāo)。主要驗收定量考核指標(biāo)如下：

3.1 數(shù)據(jù)缺失率FR

數(shù)據(jù)缺失率是指在考核期內(nèi)未能測得的有效數(shù)據(jù)個數(shù)與應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)之比。錯誤測值或超過一定誤差范圍的測值均屬于無效數(shù)據(jù)。

式中：NFi——缺失數(shù)據(jù)個數(shù)；

NMi——應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)。

3.2 平均無故障工作時間MTBF

故障是指采集裝置不能正常工作，造成所控制的單個或多個測點(diǎn)測值異?；蛲y。

式中：ti——考核期內(nèi)，第i個測點(diǎn)或采集單元的正常工作時數(shù)；

ri——考核期內(nèi)，第i個測點(diǎn)或采集單元出現(xiàn)故障次數(shù)，當(dāng)?shù)趇個測點(diǎn)或采集單元在考核期內(nèi)未發(fā)生故障時，取ri=1；

n——系統(tǒng)內(nèi)測點(diǎn)或采集單元總數(shù)。

3.3 自動化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與人工測讀數(shù)據(jù)兩者差值控制標(biāo)準(zhǔn)

方差分析是取某測點(diǎn)考核期自動化監(jiān)測和人工比測相同時間或相近時間的測值，分別組成自動化測值序列和人工測值序列。

設(shè)某一時刻的自動化測值為Xzi，人工測值為Xri，兩者差值按下式計算：

δ=|Xzi-Xri|

兩者差值的方差σ按下式計算：

式中：σz——自動化測量精度；

σr——人工測量精度。

3.4 短期測值穩(wěn)定性

對短時間內(nèi)重復(fù)測試的數(shù)據(jù)，用貝塞爾公式計算出短期重復(fù)測試中誤差σm，作為采集裝置的測讀精度，評價是否達(dá)到廠家的標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)。中誤差計算公式如下：

4 結(jié)語

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)架構(gòu)是項系統(tǒng)而復(fù)雜的工程，跨較多專業(yè)，需要對施工期竣工驗收后移交運(yùn)行的安全監(jiān)測系統(tǒng)整體進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化；然后再結(jié)合樞紐工程特點(diǎn)和具體情況，對整個安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、需實現(xiàn)的功能以及要達(dá)到的運(yùn)行效果進(jìn)行全面規(guī)劃、設(shè)計和實施。

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〔3〕劉 果.大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集裝置(DL/T 1134-2009).北京：中國電力出版社，2009.

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〔5〕趙花城.大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化要求及驗收規(guī)程(DL/T5272-2012).北京：中國電力出版社，2012.

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